铸造金属过滤的理论与实践

1、铸造金属过滤的理论与实践西利公司 SELEE CORPORATION中国代表处段汉桥1. 铸造金属中的夹杂物铸造金属中的夹杂物减少铸件中夹杂物的想法与铸造一样古老.上世纪20-30年代,通过浇注系统设计如集渣包,来捕获夹杂物.用于金属-夹杂物密度差大的黑色金属.扁平横浇道以增加浇道捕获夹杂物能力,对氧化膜类夹杂物有效.上世纪60年代滤芯设计,捕获粗大颗粒夹杂物.上世纪70年代过滤器开始工业应用,铝合金.80年代后铸铁应用.铸钢的应用更晚一点.过滤器替代复杂的浇道设计,以及更好的效果.1.1 铸件中夹杂物的危害铸件中夹杂物的危害 降低铸件表面质量降低铸件表面质量 降低力学性能降低力学性能 降低机

2、械加工性能降低机械加工性能 铸件泄露铸件泄露 气孔气孔 直接、间接1.2 金属熔体中的夹杂物金属熔体中的夹杂物 可溶杂质 熔融铝合金 碱 (Na, Ca, Li) 氢 钢, 铸铁, 镍基合金 硫, 氢, 氧, 氮, 磷 不可溶杂质 = 夹杂物 熔融铝合金 Al2O3, MgAl2O4, AlC3, MgO 钢 Al2O3-脱氧产物, 硅酸锰 铁 液态熔渣 (含Mg/Al/Si复合熔渣) 只有不可熔杂质能通过过滤除去1.3 夹杂物的来源夹杂物的来源 熔渣熔渣 金属氧化产物金属氧化产物 耐火材料耐火材料 精炼剂残留物精炼剂残留物 造型材料和铸型造型材料和铸型/芯被侵蚀产物芯被侵蚀产物 侵蚀的涂料侵

3、蚀的涂料 内生夹杂物内生夹杂物 金属中冶金反应产物金属中冶金反应产物 未溶孕育剂或合金添加剂未溶孕育剂或合金添加剂过滤只能去除已存在于液流中的夹杂物过滤只能去除已存在于液流中的夹杂物1.4 夹杂物的分类夹杂物的分类 金属中的夹杂物依据其来源分为两大类金属中的夹杂物依据其来源分为两大类: 外来的外来的 内生的内生的外来夹杂物外来夹杂物源自与液体金属接触的外部材料的卷入。源自与液体金属接触的外部材料的卷入。例如例如: 侵蚀的耐火材料侵蚀的耐火材料 侵蚀的型、芯砂侵蚀的型、芯砂内生夹杂物内生夹杂物源自液态金属内部的析出反应。源自液态金属内部的析出反应。两个小类两个小类 一次内生夹杂物一次内生夹杂物:

4、 凝固之前形成的，如：球铁中凝固之前形成的，如：球铁中的的 MgS 二次内生夹杂物：二次内生夹杂物： 凝固期间形成的，如：灰铁凝固期间形成的，如：灰铁中的中的 MnS下列夹杂物可以由过滤去除: 在液体金属通过过滤器前卷入的外来夹杂物 一次内生夹杂物二次内生夹杂物不能通过过滤去除，因为它们形成于液体金属通过过滤器以后1.5 不同合金中的夹杂物类型不同合金中的夹杂物类型1.5.1 铝合金铝合金氧化铝氧化铝 4 Al + 3 O2 = 2 Al2O3 2 Al + 3 H2O = Al2O3 + 6 H氧化铝夹杂物主要是薄膜形式，在熔体中它们始终是固态的。氧化物夹杂是气泡形核的合适基底。去除了夹杂物

5、也常常解决了铸件中的气孔问题。 尖晶石类：尖晶石类：MgAl2O4 和MnAl2O4,源自氧化反应。硼化物TiB2 和VB2 ，是晶粒细化的产物。1.5.2 灰铸铁灰铸铁(包括白口铁包括白口铁)夹杂物类型夹杂物类型 组成组成 来源来源二氧化硅颗粒 SiO2侵蚀的型、芯砂玻璃态熔渣 MnOSiO2FeO 液体金属与空气的反应 砂/包裹体 MnOSiO2Feo SiO2 侵蚀的硅砂金属的氧化 1.5.3 球墨铸铁球墨铸铁浮渣(dross)，是球化剂镁与铸铁中的硅、硫等元素发生化学反应的产物。它由复杂的镁硅酸盐和硫化镁或球化剂和孕育剂中的稀土的氧化物和硫化物所形成。氧化铝、氧化钙和氧化钛等也可以存在

6、于其中。 类型1：大的镁硅酸盐颗粒镁橄榄石(Mg2Si04)或顽辉石(MgSiO3)，通常含有铁，也存在硫化物和石墨。以自由散布的薄膜形态，或包裹着造型材料砂粒，粘附在过滤器壁上如图。 类型2：散布的和链状的夹杂物主要含有MgS。硫化物夹杂以单个颗粒散布于金属中或连接成丛状或链状如图。 1.5.4 铸钢件中的夹杂物铸钢件中的夹杂物1.6 夹杂物的分离夹杂物的分离2 过滤器与过滤机制过滤器与过滤机制2.1 过滤机制过滤机制 筛网过滤机制筛网过滤机制 指由过滤器的正面（入口）捕获尺寸大于其开口的大尺寸夹杂物 滤饼过滤机制滤饼过滤机制 形成于过滤器表面最初捕获的夹杂物。较小尺寸的夹杂物为较大尺寸的夹

7、杂物所捕获。 深层过滤机制深层过滤机制 是在过滤器整个体积内进行的。其原理基于夹杂物在陶瓷过滤器壁上的粘附和夹杂物之间的相互粘附 如果一个夹杂物沿着一光滑的流道壁移动，那么它被捕获的可能性要低于夹杂物与一个以上的壁（如在方形流道的角落）接触的时候。流道的截面积越小，金属的流动方向变化越多，那么夹杂物在深层过滤中被捕获的可能性就越高。 粘附力使单个的夹杂物相互粘在一起并固定在过滤器壁上。如果夹杂物被深层过滤所捕获，那么过滤器对夹杂物的粘附力要大于金属流动动力对夹杂物的影响。高的粘附力和低的金属流动速度将增加夹杂物被捕获的可能性。金属流动速度非常低的位置是捕获这类夹杂物的理想场所。 不同的过滤器材

8、料和不同的夹杂物与液体金属间有不同的润湿性，因而也就有不同的捕获固态夹杂物的能力。 金属熔体对固态夹杂物和过滤器的润湿性越低，则捕获夹杂物的能力就越好。碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷对球铁具有最低的润湿性，因而具有最好的深层过滤效果。 在金属流动温度下，金属与过滤器之间会产生化学反应并产生粘结。在化学反应系统中，过滤器（与陶瓷之间）的化学粘结作用是逐渐形成的。其熔点（软化温度）接近于浇注温度的过滤器具有比高耐火陶瓷制成的过滤器更好的过滤效率。 2.2 过滤器的类型过滤器的类型 有多种不同结构、不同过滤面积和不同过滤效率的过滤器。它们可以归为两个基本类型： 平面过滤器 体积过滤器 其重大差别在于它们的过滤

9、机制的不同。 平面过滤器的面积远大于其厚度，杂质仅能在过滤器的进口端由筛网过滤机制和滤饼过滤机制捕获。过滤器的厚度对其过滤效率没有影响。 在体积过滤器中，进口端的过滤作用和深层过滤能力都得到利用。其深层过滤能力依其孔径尺寸，孔的截面，孔的排布，以及过滤器材料的不同而不同。2.2.1 平面过滤器平面过滤器金属筛网金属筛网 只能用于低熔点合金，主要是铝合金。网孔2-3 mm的钢丝筛网切割成大于安装处流动截面的尺寸。 由于铝合金中的夹杂物是薄膜状的，金属筛网的过滤效果相当好。 价格非常有利是其另一优点。 在凝固后钢的过滤器仍保留在浇注系统中，并将随其回炉熔化。这将导致熔体中铁含量上升。 织物过滤器织

10、物过滤器 由耐火纤维织造而成的。形成过滤器栅栏的单根纤维通过复杂的方法与许多纤维拧在一起。过滤器在网孔大小，形态和单绳厚度等到方面可以变化。 过滤器的过流面积取决于布的类型和网孔的尺寸，它通常从占过滤器总面积10%到30%。小网孔的过滤器通常过流面积也较小。 由于其低热容量，因此可以在一个铸型中的不同部位安放多个过滤网。 流过的金属产生的应力可能会引起一些问题，导致过滤网变得弯曲，甚至从铸型的安放位置脱出来。在任何情况下都要考虑到过滤网变形弯曲的可能性 。2.2.2 体积过滤器体积过滤器 在体积过滤器中，使用了过滤器进口端拦截（在这儿会形成滤饼）作用和深层过滤作用。深层过滤能力依过滤器的不同而

11、不同。 压制过滤器压制过滤器 通过在金属模内将半干的陶瓷混合料压制而成，同时也在上面压出了直的通孔。 过滤器的特征参数是大小、厚度、孔径和通孔率（过流截面积占过滤器面积之比）。其孔径通常是1.8到2.5 mm，厚度范围从12到22 mm 。过流面积是过滤器总面积的45-58%。 挤压过滤器挤压过滤器 通过将塑性陶瓷材料在硬模中挤出而成，具有矩形/正方形孔，如图。其栅栏壁显著变薄因而具有更大的流动截面（约65%）和更低的热容量。其正方形流通截面比圆形通道更有利，因此有更高的深层过滤效率。 挤压过滤器的密度由每平方英寸（2.54x2.54 mm）的孔数来评价，并定义为csi (cells pers

12、quare inch，即每平方英寸的孔数)。通常使用密度为50-300 csi的过滤器。 带三角形孔的过滤器带三角形孔的过滤器 是挤压过滤器中的新品种。更好的深层过滤效果、更好的过滤器强度和更好的金属流动的水力学特性是其主要的优点。更好的深层过滤效率是由于夹杂物在三角形孔过滤器中与两个壁接触的可能性要大于在方形截面通道中。由于这个原因，一个密度为90 csi的三角形孔过滤器具有与密度为150 csi的方形孔过滤器相同的过滤效率。 泡沫过滤器泡沫过滤器 是基于互连的五面体形胞室结构系统。泡沫过滤器是通过聚胺脂泡沫在合适的陶瓷悬浮液中浸浆制成。烧掉泡沫后就得到了陶瓷过滤器的框架，如图。其孔隙度由其

13、所使用的泡沫的孔隙度所决定。孔隙度孔隙度以每英寸以每英寸(25.4 mm)的孔数来评价，定义为的孔数来评价，定义为ppi (pores per inch，即每英寸的孔数)。在铸造中过滤金属通常使用孔隙度为10、20和30 ppi 的过滤器。西利过滤器为10、15、25PPI。PPI值不是真实的数值值不是真实的数值，只是一个代号。实际的PPI值低于标示值。 开口的迷宫开口的迷宫式胞状结构式胞状结构 内表面积高内表面积高 低热容量低热容量 低流动阻力低流动阻力 高抗热震性高抗热震性 泡沫过滤器的过流截面取决于陶瓷框架的厚度，通常高达过滤器总面积的80%。 金属液流在泡沫过滤器中流动的模式是局部紊流

14、并不断改变流动方向，由于这个原因夹杂物与过滤器壁接触的机会大大增加，这有利于深层过滤，尺寸远小于孔径的夹杂物也可由过滤器壁捕获，此外，夹杂物相互粘结而在过滤器壁上形成“桥” 。能有效地滤除尺寸小至3-5 m的夹杂物。如图。 随着滤出的夹杂物的量的增加，过滤器逐渐为夹杂物所阻塞，并被随后的夹杂物所完全封闭。 深层过滤效果好深层过滤效果好是泡沫过滤器与其它所有过滤器相比最重要的优点。对平面过滤器，事实上没有深层过滤效果，即使有部分夹杂物由于由于界面张力的作用而捕获，深层过滤机制也是不存在的。对直孔过滤器，滤饼过滤机制是主要的，但深层过滤也是可能的。但是，过滤器厚度对过滤效率没有大的影响。在泡沫过滤

15、器中，过滤器在整个厚度上参与深层过滤，过滤器厚度越大，过滤效果越好。这可从过滤球铁后的硫化物夹杂在过滤器中的分布清楚地看到这一点。2.3 陶瓷过滤器材料陶瓷过滤器材料过滤器面临的主要问题是： 由于过滤器与熔融金属接触时温度突然增高而造成的热冲击。 可能接近陶瓷耐火度极限的高温。 浇注开始时液流对过滤器的动力冲击。 高温下长时间的机械应力将导致开裂。 过滤器的机械冲蚀。 活性熔渣对过滤器的化学侵蚀。 如果只能满足上述性能中的一部分，是不足以保证过滤器正常工作的。依据它们的耐火度和常温下的静态强度来评估过滤器的质量通常是错误的。高温下过滤器的性能分为耐火性能和粘结性能两部分。过滤器材料必须是稳定的

16、，没有相变、分解及体积的变化等。 过滤器的主要性能参数如下： 常温/高温下过滤器的弯曲强度（1500） 抗开裂能力 抗热冲击能力 抗熔渣化学作用能力 实验测试实验测试是对过滤器质量做出复杂评价的唯一可靠的方法。 2.4 过滤器对金属流动的影响过滤器对金属流动的影响 除了捕获夹杂物外，过滤器还对浇注系统中金属的流动具有影响。特别是在以下方面： 改变浇注速度 使金属流动平稳，抑制紊流2.4.1 浇注速度浇注速度 过滤器流速曲线 起流起流: : 过滤器孔洞为液态金属所充填并开始连续流动的过程称为“起流” 过滤器起流阻力过滤器起流阻力= 金属与过滤器的润湿性越差（润湿角金属与过滤器的润湿性越差（润湿角

17、越大），），过滤器孔洞越小，那么毛细管作用的阻力会越大。过滤器孔洞越小，那么毛细管作用的阻力会越大。 由于金属温度相当大的损失，起流过程是很复杂的由于金属温度相当大的损失，起流过程是很复杂的:金属的粘度会增加或在过滤器中凝固。过滤器的热容量越大（例如过滤器壁越厚实），导热性能越高，则金属的热损失越大。 需要比不用过滤器为高的浇注温度需要比不用过滤器为高的浇注温度。 铸型必须的足够的上箱高度必须的足够的上箱高度。 起流后，所需的压头降低起流后，所需的压头降低。 例如:密度120 csi 的氧化锆过滤器浇注铸钢时，起流需要140mm金属静压力，但随后的流动只要19 mm 的金属静压力就够了。浇注开始后（在起流所需的压力达到以前），会出现似乎金属浇不进的现象，浇注工也降低了浇注速度。但是然后会出现液面突然下降，浇注速度必须立即增加。 2.4.2 对紊流的抑制对紊流的抑制金属在浇道中的流动通常是紊流。紊流引起型壁的侵蚀和